PENGATAR ELEKTRONIKA
Oleh :
Feri Karuana
(03091005081)
UNIVERSITAS SRIWIJAYA
FAKULTAS TEKNIK
Karakteristik Transistor
Karakteristik transistor disajikan dengan kurva karakteristik yang menggambarkan kerja transistor. Satu cara untuk melihat sebanyak mungkin detail adalah dengan grafik yang menggambarkan hubungan arus dan tegangan....
Kurva Kolektor
Gambar 1
Data kurva kolektor CE diperoleh dengan cara membangun rangkaian seperti gambar 1 atau dengan menggunakan transistor curve tracer (alat yang dapat menggambarkan kurva transistor). Ide dari kedua cara tersebut adalah dengan mengubah catu tegangan VBB dan VCC agar diperoleh tegangan dan arus transistor yang berbeda – beda.
Prosedurnya yaitu biasanya dengan men set harga IB dan menjaganya tetap dan VCC diubah – ubah. Dengan mengukur IC dan VCE dapat agar dapat memperoleh data untuk membuat grafik IC vs VCE. Misalnya, anggap dalam gambar 1 IB = 10µA. Kemudian VCC diubah dan ukur IC dan VCE. Selanjutnya kita akan dapat gambar 2. Pada kurva IB = 10µA dibuat tetap selama semua pengukuran.
Gambar 2
Pada gambar 2, jika VCE nol, dioda kolektor tidak terbias reverse, oleh sebab itu arus kolektor sangatlah kecil. Untuk VCE antara 0 dan 1 V, arus kolektor bertambah dengan cepat dan kemudian menjadi hampir konstan. Ini sesuai dengan memberikan bias reverse dioda kolektor. Kira – kira diperlukan 0,7 V untuk membias reverse dioda kolektor. Setelah level ini, kolektor mengumpulkan semua elektron yang mencapai lapisan pengosongan.
kolektor dengan bertambahnya VCE disebabkan oleh lapisan pengosongan kolektor menjadi lebih lebar dan menangkap beberapa elektron basis sebelum mereka jatuh ke dalam hole.
Gambar 3
Dengan mengulangi pengukuran IC dan VCE untuk IB = 20µA, sehingga diperoleh gambar 3. Kurvanya hampir sama, kecuali di atas knee, arus kolektor kira – kira sama dengan 2 mA. Juga kenaikan VCE menghasilkan pertambahan arus kolektor sedikit karena pelebaran lapisan pengosongan menangkap tambahan elektron basis sedikit.
Gambar 4
Jika beberapa kurva dengan IB yang berbeda diperlihatkan dalam gambar 4 karena menggunakan transistor dengan βdc kira – kira 100, arus kolektor kira – kira 100 kali lebih besar daripada arus basis untuk setiap titik di atas knee dari kurva tersebut. Oleh karena arus kolektor sedikit bertambah dengan bertambahnya VCE, βdc sedikit bertambah dengan bertambahnya VCE.
1. Daerah jenuh (saturasi) adalah daerah dengan VCE kurang dari tegangan lutut (knee) VK. Daerah jenuh terjadi bila sambungan emiter dan sambungan basis dibias maju. Pada daerah jenuh arus kolektor tidak bergantung pada nilai IB. Tegangan jenuh kolektor – emiter, VCE(sat) untuk transistor silikon adalah 0,2 V, sedangkan untuk transistor germanium adalah 0,1 V.
2. Daerah aktif, adalah antara tegangan lutut VK dan tegangan dadal (breakdown) VBR serta di atas IB = ICO. Daerah aktif terjadi bila sambungan emiter diberi bias maju dan sambungan kolektor diberi bias balik. Pada daerah aktif arus kolektor sebanding dengan arus basis. Penguatan sinyal masukan menjadi sinyal keluaran terjadi pada daerah aktif.
Kurva basis
kurva karakteristik basis merelasikan antara arus basis IB dan tegangan basis-emiter VBE dengan tegangan kolektor-emiter sebagai parameter seperti terlihat pada kurva berikut.
Gambar 5
Pada rangkaian gambar 1 kita dapat memperoleh data untuk membuat grafik IB vs VBE. Gambar 5 menunjukkan grafik yang mirip dioda, karena bagian emiter – basis dari transistor merupakan dioda. Karena bertambah lebarnya lapisan pengosongan dengan bertambahnya tegangan kolektor, arus basis berkurang sedikit karena lapisan pengosongan kolektor menangkap beberapa lagi elektron basis.
Gambar 6
Pada gambar 6, terlihat dengan menghubung singkat kolektor – emiter (VCE = 0) dan emiter diberi bias maju, karakteristik basis dioda. Semakin tinggi tegangan reverse, maka semakin tipis lebar basis dan semakin tinggi beta DC. Pada suatu saat tegangan reverse dinaikkan, hingga lebar basis menyempit maka daerah tersebut dinamakan breakdown. Kondisi inilah yang dinamakan early effect.
Kurva beta (β)
Kurva beta menunjukkan bagaimana nilai β berubah dengan suhu dan arus kolektor. Nilai β bertambah dengan naiknya suhu. Nilai β juga bertambah dengan naiknya arus kolektor IC. Tetapi bila IC naik diluar nilai tertentu β akan turun.
Gambar 7
Garis beban transistor
Dalam rangkaian kolektor, sumber tegangan VCC membias reverse dioda kolektor melalui RC. Dengan hukum tegangan kirchoff VCE = VCC – ICRC.
Dalam rangkaian yang diberikan, VCC dan RC adalah konstan, VCE dan IC adalah variabel. Sehingga
Ini adalah persamaan linier, serupa dengan y = mx + b
Seperti dalam matematika, grafik persamaan linier selalu berupa garis lurus dengan kemiringan m dan perpotongan vertikal b.
Gambar 8
Perpotongan vertikal adalah pada VCC/RC. Perpotongan horizontal adalah pada VCC, dan
kemiringannya adalah -1/RC. Garis ini disebut garis beban dc karena garis ini menyatakan semua titik operasi yang mungkin. Perpotongan dari garis beban dc dengan arus basis adalah titik operasi daripada transistor.
sebuah transistor memiliki empat daerah operasi transistor, yaitu :
Semua titik operasi antara titik sumbat dan penjenuhan adalah daerah aktif dari transistor. Dalam daerah aktif, dioda emiter dibias forward dan dioda kolektor dibias reverse. Perpotongan dari arus basis dan garis beban adalah titik stationer (quiescent) Q seperti dalam gambar. daerah kerja transistor yang normal adalah pada daerah aktif, dimana arus IC konstan terhadap berapapun nilai Vce. Pada daerah aktif arus kolektor sebanding dengan arus basis. Penguatan sinyal masukan menjadi sinyal keluaran terjadi pada daerah aktif.
jika hukum kirchoff mengenai tegangan dan arus diterapkan pada loop kolektor ( rangkaian CE ), maka dapat diperoleh hubungan :
VCE = VCC – IC RC
dapat dihitung dissipasi daya transistor adalah : PD = VCE . IC
dissipasi daya ini berupa panas yang menyebabkan naiknya temperatur transistor. Umumnya untuk transistor power sangat perlu untuk mengetahui spesifikasi Pdmax. Spesifikasi ini menunjukkan termperatur kerja maksimum yang diperbolehkan agar transistor masih bekerja normal. Sebab jika transistor bekerja melebihi kapasitas daya Pdmax, maka transistor dapat rusak atau terbakar.
Daerah cut off
jika kemudian tegangan vcc dinaikkan perlahan – lahan, sampai tegangan VCE tertentu tiba – tiba arus IC mulai konstan. Pada saat perubahan ini, daerah kerja transistor berada pada daerah cutoff yaitu dari keadaan saturaasi (on) menjadi mati (off). Perubahan ini digunakan pada sistem digital yang hanya mengenal angka biner 1 dan 0 yang tidak lain dapat dipresentasikan oleh status transistor OFF dan ON.
Titik sumbat (cut off) adalah titik dimana garis beban memotong kurva IB = 0, pada titik ini arus basis adalah nol dan arus kolektor kecil sehingga dapat diabaikan (hanya arus bocoran ICEO yang ada). Pada titik sumbat, dioda emiter kehilangan forward bias, dan keerja transistor yang normal terhenti.
VCE(CUT OFF) = VCC
daerah saturasi (jenuh) adalah daerah dengan VCE kurang dari tegangan knee (VK ). Kondisi jenuh adalah kondisi dimana pembawa mayoritas dari emiter, rekombinasi pembawa minoritas ke arus basis. Perpotongan dari garis beban dan kurva IB = IB (SAT) disebut penjenuhan (saturation). Pada titik ini arus basis sama dengan IB (SAT) dan arus kolektor adalah maksismum. Pada penjenuhan, dioda kolektor kehilangan reverse bias dan kerja transistor yang normal terhenti.
IC = VCE/RC
Cara kerja Transistor
Transistor bipolar biasanya digunakan sebagai saklar elektronik dan penguat pada rangkaian elektronika digital. Transistor memiliki 3 terminal. Transistor biasanya dibuat dari bahan silikon atau germanium. Tiga kaki yang berlainan membentuk transistor bipolar adalah emitor, basis dan kolektor. Mereka dapat dikombinasikan menjadi jenis N-P-N atau P-N-P yang menjadi satu sebagai tiga kaki transistor. Gambar di bawah memperlihatkan bentuk dan simbol untuk jenis NPN. (Pada transistor PNP, panah emitor berlawanan arah).
Gambar Simbol Transistor NPN dan PNP
Pada rangkaian elektronik, sinyal inputnya adalah 1 atau 0 ini selalu dipakai pada basis transistor, yang mana kolektor dan emitor sebagai penghubung untuk pemutus (short) atau sebagai pembuka rangkaian. Aturan/prosedur transistor sebagai berikut:
- Pada transistor NPN, memberikan tegangan positif dari basis ke emitor, menyebabkan hubungan kolektor ke emitter terhubung singkat, yang menyebabkan transistor aktif (on). Memberikan tegangan negatif atau 0 V dari basis ke emitor menyebabkan hubungan kolektor dan emitor terbuka, yang disebut transistor mati (off)
- Pada PNP transistor PNP, memberikan tegangan negatif dari basis ke emitor ini akan menyalakan transistor (on ). Dan memberikan tegangan positif atau 0 V dari basis ke emitor ini akan membuat transistor mati (off).
Transistor bipolar umumnya terbentuk dari sambungan PNP atau NPN dengan bahan silikon (Si) atau germanium (Ge). Sambungan tersebut dihasilkan dari sebuah dari irisan silikon yang dicampurkan ddengan bahan pengotor melalui proses masking yang tereduksi secara fotografis. Transistor – transistor silikon lebih unggul dibandingkan dengan germanium.
untuk menggunakan sebuah transistor, maka kita harus menyambungkannya sedemikian rupa sehingga : 1) Terminal emiter adalah terminal dengan polaritas paling negatif
2) Terminal kolektor beberapa volt lebih positif dibandingkan terminal emiternya 3) Terminal basis lebih positif 0,7 V daripada terminal emiter
Prinsip Kerja Transistor Dwikutub
Gambar yang hijau adalah persambungan dua jenis semikonduktor, sedangkan yang berwarna merah adalah simbol transistor dwikutub dalam rangkaian. Ada dua jenis penyambungan transistor, yaitu jika tipe p sebagai basis disebut transistor tipe Negativ-Positiv-Negativ (NPN) dan jika tipe N sebagai basis disebut transistor tipe Positiv-Negativ-Positiv (PNP), seperti pada gambar Ada tiga kaki transistor yaitu emitor (E), basis (B), dan konektor (K), yang akan dijelaskan kemudian makna dari bagian ini. Masing-masing bagian transistor ini dihubungkan menggunakan konduktor sebagai kaki transistor. Pada transistor dwikutub sambungan p-n antara emiter dan basis diberi basis panjar maju sehingga arus mengalir dari emiter ke basis. Saperti lazimnya, arus listrik ditentukan mempunyai arah seperti gerak muatan positif. Agar lebih mudah dibayangkan, kita gunakan transistor pnp unutk mempelajari cara kerja transistor. Perhatikan rangkaian transistor pnp berikut:
Kita bayangkan muatan positif dari catu daya VEE diluncurkan melalui RE masuk ke emitor, yang terbuat dari bahan semikonduktor jenis p. Oleh adanya panjar maju antara emiter dan basis, pembawa muatan dari emiter akan tertarik masuk ke basis dan diteruskan ke kolektor dan masuk ke hambatan RC dan terus kembali ke VCC. pada gambar di atas, adanya arus IC dan RC akan membuat kolektor mempunyai muatan positif terhadap basis, sehingga sambungan pn antara kolektor dan basis juga akan mendapat panjar maju. Selanjutnya ini akan menarik arus ICB dari kolektor ke basis, berlawanan dengan arus dari emiter, yaitu arus IBC. Lama kelamaan arus ICB =IBC sehingga arus kolektor IC yang mengalir dihambatan RC menjadi sama dengan nol. Untuk menghindari arus balik ICB, kita harus membuat agar kolektor berada pada tegangan jauh dibawah basis, walaupun ada arus IC mengalir di dalam hambatan kolektor IC. Untuk ini antara kolektor dan basis dipasang tegangan panajar mundur melalui catu daya –VCC, seperti gambar berikut:
Nyatalah muatan mayoritas yang dikeluarkan oleh emitor bertumpu dibasis, dan ditampung oleh kolektor. Sehingga jelaslah makna nama-nama bagian transistor. Emiter berasal dari bahasa inggris “emitter” yang berarti pengeluar.Basis berasal dari kata “base’ yang berarti tumpuan/landasan. Dan kolektorberasal dari kata “collector” yang berarti pengumpul.
Karena semua arus berasal dari muatan emitter, maka dapat ditulis
IE=IB+IC
Dan karena muatan di basis sangat kecil dibandingkan dengan muatan pada konektor, kita dapat mengatakan bahwa arus pada konektor hampir sama besar dengan arus pada emitter
Sehingga:
